固溶處理對(duì)254SMo鋼焊接接頭性能的影響

宿再春，張嘉惠，張 佩，郭富永，張建曉

1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730314 2.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050

0 前言

254SMo是一種100%奧氏體組織的不銹鋼，含碳量極低，與常規(guī)奧氏體不銹鋼如S30408、S31603等相比，鉻、鉬、鎳含量較高，并且含有一定成分的氮，具有較好的耐點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕及晶間腐蝕的能力［1-2］，廣泛應(yīng)用于苛刻環(huán)境下的石油化工壓力容器、制藥等領(lǐng)域。254SMo超級(jí)不銹鋼中鉬元素含量較高，而鉬元素是σ、χ金屬間化合物和Laves相的促進(jìn)元素［3］。相關(guān)研究表明χ相析出溫度約800℃，σ相析出溫度約為900℃［4］，且在快速冷卻條件下這些相極易保留在組織中［5-6］，因此在焊接熱循環(huán)過程中熱影響區(qū)及焊縫區(qū)域極易生成σ和χ的析出相［7］。Mateo等人［8］研究表明，χ相對(duì)材料的耐蝕性有很大的影響。此外，σ析出相的增加同樣會(huì)降低鋼的塑性［9］。如何解決析出相對(duì)254SMo超級(jí)不銹鋼焊接接頭性能影響仍然是當(dāng)前254SMo應(yīng)用的難點(diǎn)。任建斌等人［10］研究表明，對(duì)254SMo超級(jí)不銹鋼進(jìn)行1 150～1 200℃的固溶處理能夠有效地消除σ和χ析出相。

蘭州蘭石重型裝備股份有限公司承制的某臺(tái)新型產(chǎn)品中部分結(jié)構(gòu)材質(zhì)為254SMo，焊接是該產(chǎn)品制造中的重點(diǎn)及難點(diǎn)，254SMo較厚板的焊接及之后的固溶熱處理均無成熟經(jīng)驗(yàn)可供參考。本文采用手工鎢極氬弧焊焊接超級(jí)奧氏體不銹鋼254SMo，并對(duì)焊接接頭在焊態(tài)和固溶處理狀態(tài)下的力學(xué)性能、沖擊韌性、耐腐蝕性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，旨在研究焊后固溶處理對(duì)254SMo接頭力學(xué)性能和耐腐蝕性能的影響，為超級(jí)奧氏體不銹鋼254SMo實(shí)際產(chǎn)品制造提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用母材為厚18 mm的254SMo不銹鋼，將其加工成規(guī)格為800 mm×120 mm×18 mm的試板，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。選擇抗裂性較好的ERNiCrMo-3焊絲，直徑2.0 mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表3、表4所示。該焊絲含有8%～10%的Mo元素，能夠更好地提高焊接接頭的耐腐蝕性能并降低熱裂紋傾向［11］。

表1 254SMo鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of 254SMo（wt，%）

表2 254SMo鋼力學(xué)性能Table 2 Mechanical property of 254SMo

表3 ERNiCrMo-3化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Chemical composition of ERNiCrMo-3（wt，%）

表4 ERNiCrMo-3力學(xué)性能Table 4 Mechanical property of ERNiCrMo-3

1.2 焊接工藝

采用鎢極氬弧焊對(duì)試件進(jìn)行焊接，開V型坡口，坡口角度65°±2°，留0～1 mm鈍邊，組對(duì)間隙3～4 mm，如圖1所示。254SMo焊接時(shí)一般不需要預(yù)熱，但當(dāng)母材溫度低于15℃時(shí)，應(yīng)對(duì)接頭兩側(cè)250～300 mm寬的區(qū)域加熱到15～20℃，以免濕氣冷凝導(dǎo)致焊縫氣孔。焊前將坡口及離坡口邊緣20 mm處打磨清理油污，并用丙酮進(jìn)行清洗，以防止氣孔的產(chǎn)生。焊接過程中控制層間溫度為15～100℃，以防止焊縫和熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大和碳化物的析出，焊接工藝規(guī)范如表5所示。應(yīng)注意該材料線膨脹系數(shù)大，具有較高的熱裂紋敏感性，焊接時(shí)易產(chǎn)生熱裂紋，如凝固裂紋、多邊化裂紋和高溫失塑裂紋，可通過保證首層焊道外表面呈外凸的形狀及填滿弧坑來防止熱裂紋的產(chǎn)生。

圖1 試板坡口Fig.1 Groove of test plate

表5 焊接工藝規(guī)范Table 5 Welding procedure specification

1.3 熱處理工藝

試板焊接完成后利用電火花線切割將其切開（規(guī)格400 mm×240 mm×18 mm），編號(hào)分別為1、2。其中試板1為焊態(tài)，試板2為固溶熱處理態(tài)，熱處理規(guī)范如表6所示，固溶處理溫度為1 150℃，固溶處理時(shí)間40 min，試樣出爐后進(jìn)行水冷。

表6 熱處理規(guī)范Table 6 Heat treatment specification

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊縫外觀及無損檢測(cè)

焊接完成后分別對(duì)兩塊試板焊接接頭進(jìn)行外觀檢查，焊縫表面成形良好，焊縫與母材無咬邊等缺陷。按NB/T47013.5-2015標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)要求對(duì)焊縫表面進(jìn)行PT檢測(cè)，沒有裂紋等缺陷產(chǎn)生；按NB/T47013.2-2015標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ級(jí)要求對(duì)焊縫進(jìn)行RT檢測(cè)，焊縫內(nèi)部沒有裂紋、氣孔等缺陷。

2.2 焊縫化學(xué)成分分析

根據(jù)GB/T38939-2020《鎳基合金多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜分析法（常規(guī)法）》對(duì)熔覆金屬進(jìn)行化學(xué)成分分析，焊縫主要化學(xué)成分如表7所示。

表7 焊縫化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 7 Chemical composition of weld（wt.%）

對(duì)比表1、表3、表7可知，ERNiCrMo-3熔覆金屬中Cr、Ni、Mo、Nb等元素含量相較焊材均有所降低，其原因在于母材中上述元素的含量低于焊材，在焊接過程中母材金屬熔化進(jìn)入熔池，對(duì)焊縫合金成分造成稀釋所致［12-13］。熔覆金屬中Fe含量較焊材成分有所增加，這是因?yàn)?54SMo中Fe含量高于ERNiCrMo-3焊絲中的Fe含量。另外可以看出，即使存母材對(duì)焊縫金屬的稀釋作用，熔覆金屬中主要化學(xué)元素Cr、Ni含量仍高于母材254SMo，從而確保了焊縫金屬能保持較好的耐腐蝕性能。

2.3 金相組織分析

焊態(tài)及固溶處理?xiàng)l件下的焊縫/熱影響區(qū)、母材的微觀組織如圖2～圖5所示。由圖可知，焊縫組織與熱影響區(qū)組織存在明顯差異，熱影響區(qū)組織為典型的等軸奧氏體組織；而焊縫組織明顯不同，在靠近熱影響區(qū)附近為較小的等軸晶粒，這是因?yàn)樵搮^(qū)域的合金成分與母材相近，該處的過冷度較大，且母材中半熔化狀態(tài)的晶粒為液態(tài)金屬形核提供了附著點(diǎn)。結(jié)合以上幾方面因素，該區(qū)域液態(tài)金屬在凝固過程中具有較大的形核率，因此晶粒間相互競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)。然而向焊縫中心區(qū)域，由于焊縫中熔融金屬熱量釋放主要通過固態(tài)金屬，且前期凝固過程中析出的合金元素不斷富集在固液界面前沿，因此在溫度梯度和成分過冷雙重作用下，凝固過程主要是沿著熱量散失方向的樹枝晶組織。此外，由于焊縫金屬中Cr、Ni合金元素占比較高，因此組織主要是奧氏體+鐵素體混合相。

圖2 焊縫/熱影響區(qū)金相（焊態(tài)）Fig.2 Weld/heat affected zone（as welded）

圖3 母材金相（焊態(tài)）Fig.3 Base metal（as welded）

圖4 焊縫/熱影響區(qū)金相（固溶處理）Fig.4 Weld/heat affected zone（solution treatment）

圖5 母材金相（固溶處理）Fig.5 Base metal（solution treatment）

經(jīng)過固溶處理后，焊縫組織出現(xiàn)了明顯變化。固溶處理后焊縫中沒有明顯的樹枝晶組織存在，而是析出有彌散的第二相組織。消除焊縫中的樹枝晶可以顯著改善接頭性能。此外，母材在經(jīng)過固溶處理后出現(xiàn)了更多的孿晶組織，但沒有明顯的析出相存在。

2.4 力學(xué)性能分析

對(duì)焊態(tài)和固溶處理的焊接接頭進(jìn)行硬度測(cè)試，其結(jié)果如表8所示。經(jīng)過固溶熱處理之后，焊接接頭母材、熱影響區(qū)及焊縫組織的顯微硬度均出現(xiàn)了下降，焊縫區(qū)下降趨勢(shì)最為明顯，熱影響區(qū)組織次之，母材硬度值下降較小，這是因?yàn)榻?jīng)過固溶熱處理之后析出物溶解導(dǎo)致硬度值下降，析出物越多的區(qū)域硬度值下降越明顯。

表8 硬度試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Hardness test results

根據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，采用HUT 605A微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同熱處理?xiàng)l件下的焊接接頭進(jìn)行全厚度室溫拉伸測(cè)試；根據(jù)GB/T2653-2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》，采用HBT 106微機(jī)控制彎曲試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)；參照GB/T 229-2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，采用PIT 453G-2微機(jī)控制擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫及-196℃沖擊測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Mechanical property test results

按ASMEⅡA篇中SA-240《壓力容器及一般用途用耐熱鉻和鉻鎳不銹鋼板、薄板和鋼帶》中的規(guī)定，254SMo的室溫抗拉強(qiáng)度最小值為655 MPa。焊態(tài)下接頭的抗拉強(qiáng)度均值為739 MPa，固溶態(tài)下抗拉強(qiáng)度均值為711 MPa，均大于母材最小值，固溶之后抗拉強(qiáng)度略有下降的原因可能與固溶熱處理之后熔敷金屬及熱影響區(qū)析出物溶解及組織均勻化有關(guān)。焊態(tài)及固溶態(tài)的焊接接頭180°側(cè)彎試驗(yàn)試樣未出現(xiàn)開裂等失效情況，說明接頭塑性均良好。焊接接頭不同位置區(qū)域-196℃沖擊試驗(yàn)結(jié)果顯示，固溶處理后-196℃沖擊功高于焊態(tài)條件下的，其中焊縫由132 J增加到161 J，熱影響區(qū)由103 J增加到164 J，原因是：固溶處理后焊縫中粗大的樹枝晶消失，而樹枝晶的晶間存在較嚴(yán)重的成分偏析且存在低熔點(diǎn)共晶化合物，因此會(huì)對(duì)其沖擊性能造成不利影響。其次，焊態(tài)時(shí)的焊縫中心往往也由于熔池凝固過程中的合金成分偏析，使得焊縫中心區(qū)域抗沖擊性能變差。此外，固溶處理能夠極大改善254SMo在焊接過程中析出相的影響，這些析出相出現(xiàn)在等軸晶晶界區(qū)域，降低材料的韌性。

2.5 腐蝕試驗(yàn)

分別對(duì)兩組試板的焊接接頭進(jìn)行FeCl3點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)（ASTM G48A）、5%H2SO4均勻腐蝕試驗(yàn)（GB/T4334.6）、H2SO-CuSO4腐蝕試驗(yàn)（GB/T 4334.5）。其中G48A法試樣尺寸為25 mm×50 mm×3 mm，試驗(yàn)溫度（22±2）℃，試驗(yàn)時(shí)間72 h；5%H2SO4均勻腐蝕試驗(yàn)試樣尺寸總表面積為20 cm2，試驗(yàn)時(shí)為煮沸狀態(tài)，試驗(yàn)時(shí)間6 h；H2SO4-CuSO4腐蝕試驗(yàn)試樣尺寸為80 mm×20 mm×3 mm，試驗(yàn)溫度為微沸狀態(tài)，試驗(yàn)時(shí)間16 h。試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。可以看出，焊態(tài)及固溶態(tài)條件下三種腐蝕試驗(yàn)結(jié)果均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)條件的要求。焊態(tài)接頭點(diǎn)蝕結(jié)果為0.002 g/dm2、均勻腐蝕結(jié)果為0.047 g/dm2；在經(jīng)過固溶熱處理之后上述兩種腐蝕結(jié)果均變小，點(diǎn)蝕結(jié)果為0.001 g/dm2、均勻腐蝕結(jié)果為0.01 g/dm2。這說明固溶熱處理對(duì)其耐腐蝕性有益。這是由于在焊接熱循環(huán)過程中，在熱影響區(qū)奧氏體等軸晶的晶界處會(huì)析出大量的χ相，而χ相中富含Cr元素。因此χ相會(huì)吸收晶界處大量的Cr元素，從而造成晶間貧Cr，而Cr元素對(duì)其耐腐蝕性能具有非常重要的作用。而固溶處理使χ相完全分解，使Cr元素由χ相向貧Cr區(qū)域擴(kuò)散，使晶界處貧Cr得到緩解。

表10 腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Table 10 Corrosion test results

3 結(jié)論

（1）在文中的參數(shù)下能夠?qū)崿F(xiàn)18 mm厚度的254SMo奧氏體不銹鋼焊接，焊接接頭表面沒有明顯裂紋、咬邊等缺陷，焊縫內(nèi)部沒有氣孔、裂紋等缺陷。

（2）1 150℃固溶處理后，254SMo焊縫區(qū)粗大柱狀晶組織消失，熱影響區(qū)等軸晶出現(xiàn)較大的孿晶組織，母材的組織中未發(fā)現(xiàn)析出相存在。

（3）1 150℃固溶處理后的焊縫、熱影響區(qū)的硬度值顯著降低，其中熱影響區(qū)平均硬度降低12%，焊縫平均硬度降低24%。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度略微降低。而-196℃條件下的沖擊韌性明顯增加，其中焊縫由132 J增加到161 J，熱影響區(qū)由102 J增加到164 J。

（4）固溶處理消除了熱影響區(qū)晶界析出相，使晶間貧Cr緩解，從而顯著提升了焊接接頭的耐腐蝕性能。